핵분열재
Fissile material
핵 공학에서, 핵분열 물질은 핵분열 연쇄 반응을 지속시킬 수 있는 물질이다.정의상, 핵분열 물질은 열 에너지의[1] 중성자와 연쇄 반응을 지속할 수 있다.지배적인 중성자 에너지는 저속 중성자(즉, 열계통) 또는 고속 중성자 중 하나에 의해 유형화될 수 있다.핵분열 물질은 열중성 원자로, 고속중성 원자로, 핵폭탄을 연료화하는 데 사용될 수 있다.
핵분열성 대 핵분열성
로넨 핵분열법칙에 따르면,[2] 90 ≤ Z 100 100의 무거운 원소의 경우, 2 × Z - N = 43 ± 2의 동위 원소는 거의 예외 없이 핵분열체(N = 중성자 수, Z = 양성자 수)이다.[3][4][note 1]
"Fissile"은 "Facilible"과 구별된다.고에너지[5] 또는 저에너지 중성자를 포획한 후 핵분열이 가능한 핵종을 '분열성'이라고 한다.높은 확률의 저에너지 열 중성자와 핵분열을 유도할 수 있는 핵분열성 핵종을 "핵분열성"이라고 한다.[6]핵분열성 물질에는 고에너지 중성자만으로 핵분열이 가능한 물질(우라늄-238 등)도 포함된다.그 결과 핵분열성 물질(우라늄-235 등)은 핵분열성 물질의 서브셋이다.
중성자 흡수에 따른 결합 에너지가 핵분열에 필요한 임계 에너지보다 크기 때문에 우라늄-235는 핵분열 물질이다.이와는 대조적으로 우라늄-238이 열 중성자를 흡수함으로써 방출되는 결합 에너지는 임계 에너지보다 작기 때문에 중성자는 핵분열이 가능하려면 추가 에너지를 보유해야 한다.따라서 우라늄-238은 핵분열성 물질이지만 핵분열성 물질은 아니다.[7]
대체 정의에서는 핵분열핵종을 핵분열(즉, 핵분열성)을 겪도록 만들 수 있는 핵종으로 정의하고 또한 핵분열로부터 중성자를 생성하여 핵 연쇄반응을 정확한 환경에서 지속시킬 수 있다.이 정의에 따르면, 핵분열 가능하지만 핵분열은 아닌 유일한 핵종은 핵분열을 겪도록 만들 수 있지만, 핵 연쇄 반응을 지속하기 위해 에너지나 숫자로는 불충분한 중성자를 생산할 수 있는 핵종이다.[8]이와 같이 모든 핵분열 동위원소가 핵분열 가능한 반면, 모든 핵분열 동위원소가 핵분열 가능한 것은 아니다.군비통제 맥락에서, 특히 핵분열 물질 차단 조약에 대한 제안에서, "핵분열"이라는 용어는 핵무기의 핵분열 1차적 핵분열에서 사용될 수 있는 물질을 묘사하는 데 종종 사용된다.[9]이것들은 폭발적으로 빠른 중성자 핵분열 연쇄반응을 지속시키는 물질들이다.
위의 모든 정의에 따르면 우라늄-238(238
U
)은 핵분열성이 있지만 중성자 연쇄 반응을 지속할 수 없기 때문에 핵분열성이 아니다.U의
핵분열에 의해 생성된 중성자는 원래 중성자보다 낮은 에너지를 가지고 있다(그들은 비탄성 산란에서 작용한다), 보통 1 MeV(약 14,000 km/s의 속도), 핵분열 임계치로 U의 후속
핵분열을 일으키므로 U의
핵분열은 핵 연쇄반응을 지속하지 않는다.
핵무기의 2단계에서 U의
빠른 핵분열은 항복과 낙진에 크게 기여한다.U의
빠른 핵분열은 일부 고속 중성자 원자로의 출력에도 상당한 기여를 한다.
핵분열핵종
| 부패 사슬에 의한 액티니데스[10] | 하프라이프 범위(a) | 수율에[11] 의한 U의 핵분열 생성물 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4n | 4n + 1 | 4n + 2 | 4n + 3 | 4.5–7% | 0.04–1.25% | <0.001% | ||
| 228라№ | 4-6 a | 155Euþ | ||||||
| 244CMƒ | 241PUƒ | 250cf | 227Ac№ | a 10-29 | 90SR | 85크르 | 113mcdþ | |
| 232Uƒ | 238PUƒ | 243CMƒ | a 29-97 | 137Cs | 151smþ | 121mSn | ||
| 248Bk[12] | 249cfƒ | 242m암ƒ | a 141–351 a | 어떤 핵분열 생성물도 100 a-210 ka의 범위에서 반감기를 가지고 있지 않다... | ||||
| 241암ƒ | 251cfƒ[13] | a 430-900 | ||||||
| 226라№ | 247Bk | 1.3–1.6 ka | ||||||
| 240PU | 229TH | 246CMƒ | 243암ƒ | 4.7–7.4 ka | ||||
| 245CMƒ | 250CM | 8.3–8.5 ka | ||||||
| 239PUƒ | 24.1 ka | |||||||
| 230TH№ | 231파№ | 32-76 ka | ||||||
| 236Npƒ | 233Uƒ | 234U№ | 150–250 ka | 99TC₡ | 126Sn | |||
| 248CM | 242PU | 327–375 ka | 79SE₡ | |||||
| 1.53 마 | 93Zr | |||||||
| 237Npƒ | 2.1–6.5 Ma | 135Cs₡ | 107피디 | |||||
| 236U | 247CMƒ | 마 15-24 | 129I₡ | |||||
| 244PU | 80 마 | ... 15.7 마를[14] 넘지 않는다. | ||||||
| 232TH№ | 238U№ | 235Uƒ№ | 0.7–14.1 Ga | |||||
| ||||||||
일반적으로 중성자 번호가 홀수인 액티나이드 동위원소는 대부분 핵분열이다.대부분의 핵 연료는 홀수 원자 질량 번호(A = Z + N = 총 핵 수)와 짝수 원자 번호 Z를 가지고 있다.이것은 홀수의 중성자를 암시한다.중성자 수가 홀수인 동위원소는 중성자와 양성자의 짝수인 짝수 효과로부터 여분의 중성자를 흡수하여 1 - 2 MeV의 에너지를 얻는다.이 에너지는 느린 중성자에 의해 핵분열에 필요한 여분의 에너지를 공급하기에 충분하며, 이것은 핵분열성 동위원소를 또한 핵분열성 동위원소를 만드는 데 중요하다.
보다 일반적으로, 양성자 수가 짝수이고 중성자 수가 짝수인 핵종이 원자 수 대 원자 질량 수인 핵물리학에서 잘 알려진 곡선 근처에 위치해 다른 것들보다 더 안정적이다. 따라서, 핵분열을 겪을 가능성이 적다.그들은 중성자를 "무시"하여 중성자를 그 방향으로 가게 하거나, 또는 중성자를 흡수하기 위해 중성자를 흡수하지만 핵이 핵분열될 수 있을 정도로 변형될 수 있는 충분한 에너지를 얻지 못할 가능성이 더 높다.이러한 "이븐" 동위 원소들은 또한 자발적 핵분열을 겪을 가능성이 적으며 알파나 베타 붕괴의 경우 비교적 긴 부분 반감기를 가지고 있다.이 동위원소의 예로는 우라늄-238과 토륨-232가 있다.한편, 가장 가벼운 핵종을 제외한 양성자 수가 홀수인 핵종과 중성자 수가 홀수인 중성자수(이상 Z, 홀수 N)는 보통 수명이 짧다(반감기가 15만4000년인 넵투늄-236은 주목할 만한 예외다) 양성자 수가 짝수인 이소바에 베타 입자 방출에 의해 쉽게 붕괴되기 때문이다.중성자의 움버(짝수 Z, 짝수 N)가 훨씬 더 안정되게 된다.이러한 현상의 물리적 근거는 핵 결합 에너지에서의 결합 효과에서도 나오지만, 이번에는 양성자-프로톤과 중성자-중성자 쌍체 모두에서 나온다.이와 같이 기형적인 중동위원소의 반감기가 비교적 짧다는 것은 양적으로 구할 수 없고 방사능이 높다는 것을 의미한다.
핵연료
핵분열 연쇄 반응에 유용한 연료가 되려면 물질은 다음을 수행해야 한다.
- 핵분열 연쇄 반응이 가능한 결합 에너지 곡선 영역에 있어야 한다(즉, 라듐 위).
- 중성자 포획 시 핵분열 가능성이 높음
- 중성자 포획당 평균 2개 이상의 중성자를 방출한다. (각 핵분열에서 중성자 미배출과 감속재 흡수량을 보상한다.)
- 반감기가 꽤 길다.
- 적절한 수량으로 제공됨
| 열 중성자[15] | 표피 중성자 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| σF (b) | σγ (b) | % | σF (b) | σγ (b) | % | |
| 531 | 46 | 8.0% | 233U | 760 | 140 | 16% |
| 585 | 99 | 14.5% | 235U | 275 | 140 | 34% |
| 750 | 271 | 26.5% | 239PU | 300 | 200 | 40% |
| 1010 | 361 | 26.3% | 241PU | 570 | 160 | 22% |
- 천연 우라늄과 농축 우라늄에서 발생하는 우라늄-235
- 중성자 포획에 의해 우라늄-238로부터 배양된 플루토늄-239
- 플루토늄-240은 중성자 포획에 의해 플루토늄-239에서 배양되었다.
- 플루토늄-241은 중성자 포획에 의해 플루토늄-240에서 배양되었다.
- 우라늄-233은 중성자 포획에 의해 토륨-232에서 배양되었다.
핵분열핵종은 중성자 흡수 시 핵분열을 겪을 확률은 100%가 아니다.기회는 중성자 에너지뿐만 아니라 핵종에 의존한다.중저 에너지 중성자의 경우 핵분열을 위한 중성자 포획 단면(분열F), 감마선 방출로 중성자 포획 단면(분열량γ) 및 비배출 비율이 오른쪽 표에 있다.
참고 항목
메모들
- ^ 따라서 제조된 핵분열량 규칙은 33개의 동위원소를 핵분열 가능성이 있는 것으로 나타낸다.Th-225, 227, 229; Pa-228, 230, 232; U-231, 233, 235; Np-234, 236, 238; Pu-237, 239, 241; Am-240, 242, 244; Cm-243, 245, 247; Bk-246, 248, 250; Cf-249, 251, 253; Es-252, 254, 256; Fm-255, 257, 259.단 14개(장수의 전이성 핵 이성질체 포함)만이 최소 1년의 반감기를 가지고 있다.Th-229, U-233, U-235, Np-236, Pu-239, Pu-241, Am-242m, Cm-243, Cm-245, Cm-247, Bk-248, Cf-249, Cf-251 및 Es-252.이 중 U-235만 자연적으로 발생하고 있다.단일 중성자 포획으로 보다 흔한 자연발생 동위원소(각각 Ts-232, U-238)에서 U-233과 Pu-239를 번식시킬 수 있다.다른 것들은 일반적으로 추가적인 중성자 흡수를 통해 더 적은 양으로 생산된다.
참조
- ^ "NRC: Glossary -- Fissile material". www.nrc.gov.
- ^ "Nuclear Science and Engineering -- ANS / Publications / Journals / Nuclear Science and Engineering".
- ^ 로넨 Y, 2006년핵분열 동위원소를 결정하는 규칙.뉴클리드, 152:3페이지 334-335페이지[1]
- ^ Ronen, Y. (2010). "Some remarks on the fissile isotopes". Annals of Nuclear Energy. 37 (12): 1783–1784. doi:10.1016/j.anucene.2010.07.006.
- ^ "NRC: Glossary -- Fissionable material". www.nrc.gov.
- ^ "Slides-Part one: Kinetics". UNENE University Network of Excellence in Nuclear Engineering. Retrieved 3 January 2013.
- ^ James J. Duderstadt and Louis J. Hamilton (1976). Nuclear Reactor Analysis. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22363-8.
- ^ John R. Lamarsh and Anthony John Baratta (Third Edition) (2001). Introduction to Nuclear Engineering. Prentice Hall. ISBN 0-201-82498-1.
- ^ 핵분열 물질 및 핵무기 보관 웨이백머신, 국제 핵분열 물질 패널
- ^ 플러스 라듐(소원 88).실제로 서브액티늄(sub-actinide)은 액티늄(89)에 바로 앞서며, 최소 4년 이상의 반감기를 가진 핵종이 없는 폴로늄(84) 이후의 3요소 불안정성의 간격을 따른다(그 틈에서 가장 오래 사는 핵종은 반감기가 4일 미만인 라돈-222이다).라듐이 1600년으로 가장 오래 산 동위원소는 여기에 포함시킬 가치가 있다.
- ^ 특히, 우라늄-235의 열 중성자 핵분열로부터, 예를 들어, 일반적인 원자로에서.
- ^ Milsted, J.; Friedman, A. M.; Stevens, C. M. (1965). "The alpha half-life of berkelium-247; a new long-lived isomer of berkelium-248". Nuclear Physics. 71 (2): 299. Bibcode:1965NucPh..71..299M. doi:10.1016/0029-5582(65)90719-4.
"동위원소 분석 결과 약 10개월에 걸쳐 분석한 세 가지 표본에서 질량 248종이 지속적으로 풍부하게 발견되었다.이것은 반감기가 9[년] 이상인 Bk의248 이성질체 때문이었다.Cf의248 성장이 감지되지 않았으며, β− 반감기의 하한은 약 104[년]으로 설정할 수 있다.새로운 이성질체에 기인하는 알파 활동은 감지되지 않았다. 알파 반감기는 아마도 300[년] 이상일 것이다." - ^ 이는 '불안해' 이전 최소 4년 이상의 반감기를 가진 가장 무거운 핵종이다.
- ^ 예를 들어, Cd의 반감기가 14년에 불과한 반면, Cd의 반감기가 8조년에 가까운 반감기를 가진 "일반적으로 안정적인" 핵종을 제외한다.
- ^ "Interactive Chart of Nuclides". Brookhaven National Laboratory. Archived from the original on 2017-01-24. Retrieved 2013-08-12.
